Am 16. November 2015 ging es in unserer Veranstaltungsreihe geeks@cologne wieder um Weltraumforschung. Nachdem ihr in der Einlassphase mit unserer Oculus Rift bei einem Weltraumspaziergang im All schweben konntet, starteten die Vorträge. Bühne frei für 3 Forscherinnen und Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und für einen der ausführlichsten Nachberichte unseres Blogs. ;)

“Der Astronaut und seine Gesundheit”

Missionsbezogene Forschung

Dr. med. Claudia Stern

Frau Dr. med. Claudia Stern, die ärztliche Direktorin des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin, referierte über gesundheitliche Aspekte der Raumfahrt. Schon bei der Auswahl neuer ESA-Astronauten (zuletzt 2008/2009) spielen Gesundheit und Psychologie eine große Rolle. Im Bewerbungsverfahren werden die Kandidaten zunächst von einem Fliegerarzt untersucht. Eine Reihe weiterer medizinischer und psychologischer Gutachten reduziert die Anfangsmenge (2008 waren es fast 9000 Bewerber) auf eine kleine Gruppe, aus der das ESA Directorate schließlich einige Personen nominiert. Aus ärztlicher Sicht hat ein Wunschkandidat keine Krankheiten und auch nur ein sehr geringes Risiko zukünftig zu erkranken.

Auf seinen Missionen erwarten einen Astronauten einige gesundheitliche Veränderungen, die mittlerweile intensiv erforscht werden. So sieht man der ISS-Besatzung den so genannten Fluid Shift an, bei dem Flüssigkeiten im Körper nach oben wandern und sich z.B. im Gesicht ansammeln. Die Gesichter wirken aufgedunsen. Auch Hautveränderungen gehören zum Astronautenalltag. Die Haut trocknet aus, juckt und wird dünner. Eine Hautalterung im Zeitraffer, die sich allerdings nach der Mission zurückbildet. Im Experiment Skin-B haben bereits Luca Parmitano und Alexander Gerst Untersuchungen an ihrer Haut durchgeführt.

Die Astronauten verlieren durch die Schwerelosigkeit außerdem Knochen- und Muskelmasse. In speziellen Sportgeräten trainieren sie deshalb mindestens zwei Stunden am Tag. Wie gut intensives Training helfen kann, sah man an Alexander Gerst. Bei seiner Rückkehr ins DLR lag Gerst nicht wie erwartet auf einer Krankenliege, sondern sprang aus dem Auto, lief ohne Stützen und hatte Hunger auf Pizza.

Seine Reha und Nachuntersuchungen absolvierte er im :envihab, der neuen Forschungseinrichtung des DLR am Standort Köln. Dort läuft aktuell auch eine Studie zum schwerelosigkeitsbedingten Muskel- und Knochenabbau. Den Probanden wurde 6 Wochen Bettruhe verordnet. Um auch den Fluid Shift zu simulieren, ist das Bett um 6 Grad geneigt: der Kopf liegt also etwas tiefer als die Füße. Alle Aktivitäten des Tages wie Waschen, Essen und Freizeitgestaltung müssen im Liegen getätigt werden. Die Probanden sind in Zweierteams unterteilt: ein Partner stärkt seine Muskeln und Knochen durch Sprünge in einem speziellen Schlittensystem (Sledge Jump System), der andere nicht.

Neben Muskeln und Knochen leiden im Weltall auch die Augen. Die Symptome werden als Vision Impairment and Intracranial Pressure (VIIP) zusammengefasst und beinhalten u.a. eine Abflachung des Augapfels, Weitsichtigkeit und eine Verminderung der Sehkraft. Es ist nicht auszuschließen, dass der oben erwähnte Fluid Shift mit den Augenproblemen in Verbindung steht. Manche Astronauten brauchen nach oder schon während der Mission eine (stärkere) Brille, doch noch ist nicht bekannt, was bei längeren Weltraumaufenthalten passiert. Hier hoffen die Forscher auf die neuen Jahresmissionen der NASA. Auch Alexander Gerst wurde vor, während und nach seiner Mission augenärztlich untersucht bzw. führte die Untersuchungen selbst an sich durch. Dazu gehörten Messungen des Augeninnendrucks, der Sehschärfe, Ultraschalluntersuchungen und Untersuchung des Augenhintergrunds.

Ein weiteres großes Problem für Langzeitmissionen ist die Strahlenbelastung im Weltall. Es wird sehr genau darauf geachtet, dass die Astronauten im Laufe ihrer Karriere ihre Lebenszeitdosis nicht überschreiten. Zur Untersuchung der Strahlenbelastung wurde 2004 eine mit Sensoren bestückte Puppe zur ISS geschickt.

Abgesehen von langfristigen gesundheitlichen Belastungen besteht an Bord der ISS natürlich auch die Gefahr von akuten medizinischen Notfällen. Oft können sich die Astronauten selbst verarzten, da sie in ihrer Ausbildung medizinisch geschult werden. Auf der ISS steht Ihnen eine Bordapotheke zur Verfügung und eine medizinische Ausstattung, die mit einem Rettungswagen vergleichbar ist. Doch natürlich sind Astronauten niemals allein. Durch den Kontakt zum Bodenpersonal können sie jederzeit Rat einholen (zur Not auch per Anruf aufs Handy) oder bei Untersuchungen und Eingriffen den Anweisungen von Medizinern folgen. Und wenn nichts mehr hilft steht für den Notfall die Sojus-Kapsel bereit, um den Astronauten binnen 24h zur Erde zu bringen.

Weiterführende Links:

• „ESA Astronaut Recruitment now open (ESA 2008)“
• „Experiment Skin-B: Den Hautveränderungen im Weltraum auf der Spur“ (ESA)
• „Langzeit-Bettruhestudie (RSL-Studie): Probandensuche für 2. Kampagne abgeschlossen“ (DLR 2015)
• „Matroshka – Space Radiation Experiment“ (ESA)

“Forschen in Schwerelosigkeit”

Das Oben und Unten beim Müsli

Es werde Schaum!

Den zweiten Vortrag hielt Dr. rer. nat. Matthias Sperl, Leiter der Arbeitsgruppe „Granulare Materialien“ des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum. Er referierte über das Forschen in der Schwerelosigkeit, also ein Forschen ohne Oben und Unten.

Alexander Gerst führte während seiner ISS-Mission ein von Schülern erdachtes Experiment durch. Die Fragestellung: Wie lange können Seifenblasen in Schwerelosigkeit überleben? Auf der Erde sinkt die Wasserschicht der Seifenblasenhülle zum Boden der Blase. Die Hülle wird oben zu dünn und reißt. Dies probierte Herr Sperl hinreißend mit dem jüngsten Gast unserer Veranstaltung. Alexander Gerst testete die Beständigkeit von Seifenblasen sowohl am Boden, im Parabelflug und schließlich an Bord der ISS. Ergebnis: In Schwerelosigkeit halten Seifenblasen deutlich länger, werden durch eine Nadel nicht zum Platzen gebracht und halten auch Injektionen mit zusätzlicher Flüssigkeit aus. Was im Großen gilt, gilt auch im kleinen. Schäume bestehen aus kleinen Bläschen. In der Schwerelosigkeit der ISS kann man sogar reines Wasser aufschäumen. Und hier schließt sich der Kreis zur Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse, denn stabile Schäume werden in der Industrie benötigt.

Ein weiteres Experiment, das es in den Weltraum schaffte, sah auf der Erde so aus: Wenn man zwei Granulate aufschüttelt, die während des Schüttelns Zugang zum Behälter des jeweils anderen Granulats haben, sammeln sich die Granulatteilchen nach dem Schüttelvorgang alle in einem der beiden Behälter. Der Grund sind die zufälligen Zusammenstöße der Teilchen, die zu einer Verlangsamung der Bewegungen führen. Dieses Experiment wurde unter dem Namen MEGraMa in Schwerelosigkeit wiederholt. Die ersten Versuche scheiterten daran, dass man ein Granulat in Schwerelosigkeit nicht ohne weiteres aufschütteln kann. Die Teilchen bleiben in der Mitte des Schüttelbehälters still stehen. Daraus entstand die Idee des magnetischen Aufschüttelns, die während eines Parabelflugs getestet wurde (einen 3D-Druck des Schüttlers ließ Herr Sperl sogar durchs Publikum gehen). Das Aufschütteln und das gleichmäßige Verteilen der Teilchen funktionierte hier schon ganz gut. Da die Schwerelosigkeit während eines Parabelflugs allerdings noch Restbeschleunigungen enthält, ging das Experiment in die nächste Phase: zum Fallturm. Dort werden Experimente in einer Kapsel nach oben geschossen, befinden sich dann ca. 9 Sekunden im freien Fall und werden am Boden wieder aufgefangen. Hier sah man schon sehr schön, dass die Energieabnahme durch die Berührungen der Teilchen dem Haffschen Gesetz folgte. Viel Zeit sich zu entwickeln, hatte das Experiment im Fallturm allerdings nicht. Die nächste Stufe für schwerelose Experimente ist eine Höhenforschungsrakete mit immerhin 200 Sekunden Schwerelosigkeit. Beim ersten Durchgang mit dem MEGraMa-Experiment hatte der Raketenfallschirm eine Fehlfunktion und die Rakete schlug samt Experiment auf. Der zweite Versuch war erfolgreich. Und tatsächlich half die längere Schwerelosigkeit: man sah eine Clusterbildung der Teilchen – sie rotteten sich in Gruppen zusammen. Auf die ISS hat es der Magnetschüttler bisher nicht geschafft, allerdings hat Samantha Cristoforetti das Experiment mit einer durchsichtigen Plastikkugel und Smarties nachstellen können. (Ein ähnlicher Versuch mit Alexander Gerst war zuvor gescheitert, weil die benötigten Tic Tacs bereits durch die Crew verspeist worden waren). Auch dort sah man die Verlangsamung der Teilchen und die Clusterbildung. Wobei helfen nun diese Erkenntnisse? Unter anderem können dadurch Schlussfolgerung in Bezug auf die Entstehung der Planeten abgeleitet werden.

Weiterführende Links:

• „Experiment MEGraMa: Dynamik granularer Materie in Schwerelosigkeit“ (DLR)
• „Seifenblasen – dünnhäutig auf der Erde, dickfellig im All“ (DLR 2014)

„Kometenlander Philae – von Köln in die Weiten des Weltalls“

Phasen einer Landung

Dr. Koen Geurts

Der letzte Vortrag kam von Dr. Koen Geurts, dem technischen Projektleiter des Rosetta-Landers Philae. Die Mission der Rosetta-Sonde zum Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko startete im Jahr 2004. Mit an Bord war der kühlschrankgroße Lander Philae. Um Treibstoff zu sparen verbrachte die Sonde 31 Monate ihrer 10-jährigen Reise im Schlafmodus. Aus diesem erwachte sie im Januar 2014 und lieferte den gespannten Wissenschaftlern bald die ersten Aufnahmen des Landeziels. Zuvor hatte man durch das Hubble Space Teleskop nur eine vage Idee von der Gestalt und Oberfläche des Kometen. Es stellte sich heraus, dass der Komet nicht wie erwartet kartoffelförmig ist, sondern aus einem großen und einem kleinen Ballen besteht – ähnlich einer Quietscheente.

Zur Erleichterung der Wissenschaftler zeigte sich, dass die neuen Erkenntnisse die Landung von Philae nicht in Frage stellten. Das Landemanöver sollte durch Füße, Harpunen und Düsen sanft verlaufen und den Lander sicher verankern. Tatsächlich meldete der Lander 7 Stunden nach dem Ausklinken auch Bodenkontakt (was zu ersten Jubelstürmen führte), allerdings zündeten die Harpunen nicht. Beinahe wäre der Lander Richtung Weltall verschwunden, doch er wurde durch eine Felswand abgelenkt und kam zwei Stunden nach dem Erstkontakt schließlich zur Ruhe.

Der neue Standort liegt in schroffem Gelände und hat nur wenige Sonnenstunden. Dadurch bleibt dem Lander kaum Zeit seine Batterien zu laden und die Kälte schadet den Komponenten. Aufgrund der neuen Bedingungen wurden die geplanten Experimente angepasst. Ein sofortiger Bohrversuch ohne sichere Verankerung hätte den Lander wieder vom Kometen abstoßen können. Nach 56 Stunden voller Messungen brach der Kontakt zu Philae aufgrund der niedrigen Batteriewerte ab. Erst im Juni und Juli 2015 war Philae wieder in der Lage, Signale zu senden. Da sich Rosetta momentan wieder näher am Kometen befindet, gibt es bis Mitte Januar 2016 noch Hoffnung für weitere Kontaktaufnahmen. Danach entfernt sich der Komet nach und nach so stark von der Sonne, dass die verbleibende Sonneneinstrahlung und Wärme nicht mehr für den Betrieb von Philae ausreichen wird.

Die direkten Messungen von Philae haben schon einige Erkenntnisse ermöglicht: Der Komet ist härter als gedacht, er ist nicht magnetisch und auf ihm konnte molekularer Sauerstoff nachgewiesen werden. Außerdem hat der Wasserdampf des Kometen eine signifikant andere Zusammensetzung als Wasser auf der Erde.

Aber Philae ist nur ein Teil der Gesamtmission. Auch Rosetta sammelt aus der Entfernung eine Unmenge an Messdaten. Anhand mathematischer Modelle werden aus diesen Daten Eigenschaften des Kometen abgeleitet. Das Missionsende für Rosetta und Philae ist für September 2016 geplant. Dann wird Rosetta immer näher an den Kometen herangeführt und schließlich aufgesetzt.

Weiterführende Links:

• Twitter-Account von Rosetta
• Twitter-Account von Philae
• YouTube-Clip: „Philae lander instruments“ (DLR 2014)
• „Lander Philae: Ein Jahr auf dem Kometen“ (DLR 2015)
• YouTube-Clip: „Teile des Puzzles – Philae auf dem Kometen 67P“ (DLR 2015)
• „Jahrestag der Kometenlandung von Philae – das Unerwartete erwarten“ (DLR 2015)

Ein Dankeschön an das Publikum und unsere Kooperationspartner

Das Publikum hatte sichtlich Spaß daran, diesen Schatz an Informationen aus erster Hand zu erfahren und nach den Vorträgen mit eigenen Fragen nachzuhaken. Und dann war da ja auch noch die Verlosung. Dort konnten wir die Gewinner mit spacigen 3D-Drucken (Eigenproduktion!), Postern vom DLR und Weltraumbüchern vom O’Reilly-Verlag und dem DLR beglücken.

Ein ganz lieber Dank an das DLR, unsere 3 Vortragenden, an O’Reilly und an das Hochschulradio KölnCampus! Wir freuen uns schon auf „Lichtjahre voraus 2016“!

Aber in der Zwischenzeit werden wir nicht auf der faulen Haut liegen. Weiter geht es bei geeks@cologne am 18. Januar mit einem Retrogaming-Abend. Wenn ihr unseren Veranstaltungsblog abonniert, bekommt ihr bei neuen Blogeinträgen eine Mail und verpasst keine Veranstaltung.

(ba)